【基金标书】2010CB631100-先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究.doc

项目名称:
先进复合材料空天应用技术基础科学问题研究
首席科学家:
益小苏中国航空工业第一集团公司北京航空材料研究院
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
国防科学技术工业委员会
一、研究内容
关键科学问题
复合材料多层次、多尺度界面结构的理解和强化建构
复合材料的共性特征是多层次、多尺度的异质、异构界面。典型的结构层次涵盖纤维单丝、纤维丝束、干态增强织物、树脂预浸料和层状化的复合材料结构等。界面状态将从本质上影响复合材料整体对载荷的响应,并控制复合材料的所有性质和服役行为。
前期的973研究成果已证实益小苏。上期973课题《多层次细观结构与特征目标性能的关联、数理模拟和结构优化设计》验收总结报告。2008/09,北京
,层间界面的高分子-高分子双连续相结构直接影响了细观损伤的产生和扩展,进而决定了复合材料的韧性、刚度、强度等使用性能;双连续相结构形成和演化的关键是定域设计和控制反应诱导的失稳分相、临界相反转和相粗化等过程。这对应了连接度(Connectivity)概念 E. Newnham, D. P. Skinner, and L. E. Cross, “Connectivity and Piezoelectric–. posites,” Mater. Res. Bull., 13, 525–36 (1978).
里的0-0、0-3和3-3结构的连续的相转变过程,而由于这个连续的相变发生在2-2结构的受限空间内,必然形成尺度上梯度分布的3-3型双连续颗粒结构,从而赋予复合材料优异的韧-刚-强组合。
我们的预先研究已发现益小苏等:一种刚性3维晶须层间改性连续纤维复合材料的制备技术(国家发明专利)。申请号:。
,碳纤维表面在微米层次上的“结构化”或“粗糙化”对复合材料“人工界面”的建构具有重要的影响,这种“结构化”和“粗糙化”包括微尺度的颗粒和三维结构等,建构这种新型表面结构的机理包括表面成核与低温生长、表面浸润与去浸润等,但目前国内外对这种表面微结构建构的材料学和力学理解还知之甚少,也不清楚这种微结构对复合材料界面强-韧化的影响机制及其持久稳定性和高温性能等。
本研究将突破上期973课题高分子-高分子复相材料热力学和动力学的限制,在界面化学改性的同时,提出建构复合材料多层次界面有机、无机异相3-3连接度微结构(Interfacial 3-3 micro connectivity)的新概念,镶嵌体胞建模分析界面剪切对细观集束/协同/无规破坏的影响,极大地提高复合材料在关键结构层次的界面结合力和稳定性,确立复合材料界面强化的新技术和新方法。
复合材料多层次精细耦合协同强韧化机制
典型“纤维增强-树脂基体”两元复合材料界面的作用是将纤维和树脂,以及由它们分别控制的纤维主导性质(Fiber-dominent)和树脂基体相主导性质(Matrix-dominent)联系到一起。树脂基体相主导性质主要包括“纤维间”(Inter-fibers或Intra-tow)、“层内”(Intra-ply)和“层间”(Inter-ply或Interlaminate)等3个结构层次,它们通过各层次
间的精细结构耦合和载荷传递,使复合材料发挥整体功效。
为了在现有较低品位纤维(F-F-3和T800碳纤维)和树脂体系的限制下大幅度而又低成本地提升复合材料的整体性能,根据复合材料结构耦合的最简化的线性混合率,复合材料的刚度将随基体的模量线性增长,因此在复合材料的“纤维间”引入高刚度的微、纳米尺度精细微结构,将可能在“层间‘离位’增韧”的基础上实现“层内增刚”,同步提升复合材料整体的刚度和韧性;又考虑到复合材料“层内”结构与“层间”结构在载荷传递特性上的巨大差异,而复合材料的强度主要受控于体系内的薄弱结构,因此,在等密度的前提下,借助基体主导性质多层次结构间的精细耦合,调制和优化2-2层状周期结构,产生“层内增刚”与“层间增韧”性质的协同效应,可望获得复合材料整体性能的跃升。
进一步地,目前国内外航空复合材料的损伤设计容限准则依赖于表面冲击的损伤可视识别阈值(BVID)。由于强韧化处理的复合材料具有较高的整体冲击损伤阻抗,其可视识别阈值很高,导致复合材料自身的性能潜力和强韧化效果都难于发挥。解决这个问题的关键是在体型复合材料层次分离其表功能和体功能,特别是提出并通过发展表面显示功能来提升复合材料冲击损伤的可视识别阈值发明专利申报:一种表面冲击敏感-显示的复合材料新概念和制备方法(益小苏等),2009
,建立损伤示踪确定分析方法及损伤显示和内部损伤的关联,从而改进国际航空复合材料的传统设计方法,以低品位的基础材料通过系统集成和优化达到复合材料高性能化的目的。
复合材料损伤